CN102539465A - 一种气体中元素的监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体中元素的监测方法，包括以下步骤：A、气体被采样单元采集到流路中；所述采样单元包括采样管路，所述采样管路包括上管路和下管路；B、检测分析单元对仍处于流路中的气体中的颗粒物进行检测。本发明还提供了一种气体中元素的监测系统。本发明具有测量连续性好、节省时间等优点。

Description

一种气体中元素的监测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种监测方法及系统，尤其是一种气体中元素的监测方法及系统。

背景技术

气体重金属监测系统是一种对环境空气中或者烟气排放中的颗粒物中的重金属污染物进行连续监测的系统。

气体重金属监测系统一般包括采样单元、滤膜、滤膜移动单元、检测分析单元和控制单元。

采样单元以一定流量将空气或者烟气采集到流路中，经过采样区域内处于采样状态的带状采样滤膜时，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；采样一段时间以后，控制单元控制滤膜移动单元，将滤膜上富集有颗粒物的部分移动到检测区域(即检测分析单元能够检测到的区域)内，并被检测分析单元如X射线荧光(XRF)分析单元检测分析，得出相应的金属含量，进一步得到相应采样体积下气体中的金属浓度，然后再将下一周期对应的空白滤膜移动到采样区域的采样点处于待采样状态，以准备进行的下一周期的采样及检测。

上述的气体重金属监测系统可用于监测环境空气中的重金属污染物质。但存在以下问题：

1、检测滞后

环境空气中重金属含量较低，每一个监测周期的采样时间较长，对滤膜上富集的重金属污染物质的检测只能在采样过后才能进行，使得检测滞后；

2、浪费时间

在整个监测过程中，需要移动滤膜以实现采样和检测之间的切换，这就使得整个监测周期须有一定的时间用于移动滤膜，浪费了时间。

3、不能反应气体中元素的变化状况

在一个监测周期中待全部采样时间过后才对富集的颗粒物进行检测，得到的检测结果是一个监测周期中采样时间段内环境空气中重金属元素的平均含量，无法捕捉采样时间段内重金属污染物的变化规律，不能反应气体中元素的变化状况。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种能够实时监测气体中元素含量的气体中元素的监测系统及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种气体中元素的监测方法，包括以下步骤：

A、气体被采样单元采集到流路中；

所述采样单元包括采样管路，所述采样管路包括上管路和下管路；

B、检测分析单元对仍处于流路中的气体中的颗粒物进行检测。

进一步，在步骤A中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

所述上管路位于滤膜的上方，下管路位于滤膜的下方；

在步骤B中，检测分析单元对富集在滤膜上仍处于采样区域的颗粒物进行检测。

进一步，所述上管路和/或下管路可被X射线穿过。

作为优选，所述上管路和/或下管路为聚四氟乙烯管或硅胶管或氟塑料管或PU聚氨酯管。

进一步，X射线源发出的X射线透过上管路或下管路照射在颗粒物上，颗粒物被激发后产生的X射线荧光透过上管路或下管路被探测器接收。

进一步，在步骤A中，采样后，将上管路和/或下管路从采样点移开，使采样管路从采样状态转换至检测状态；

在步骤B中，检测完毕后，将上管路和/或下管路移至采样点，使采样管路从检测状态恢复至采样状态。

进一步，识别滤膜处于采样区域部分的状态，并根据识别结果控制滤膜移动单元移动滤膜。

作为优选，根据采样单元的抽气流量或检测分析单元的检测结果识别滤膜处于采样区域部分的状态。

本发明还提供了一种气体中元素的监测系统，包括采样单元、检测分析单元和控制单元，所述采样单元包括采样管路，所述检测分析单元包括X射线源和探测器，其特点是：

所述采样管路包括上管路和下管路；

所述X射线源和探测器分别位于上管路和/或下管路的侧面；

被采集到采样管路中仍处于流路中的气体中的颗粒物被X射线源发出的X射线激发，所产生的X射线荧光被探测器接收。

进一步，所述监测系统还包括滤膜和滤膜移动单元，所述上管路位于滤膜的上方，下管路位于滤膜的下方。

进一步，所述上管路和/或下管路可被X射线穿过。

作为优选，所述上管路和/或下管路为聚四氟乙烯管或硅胶管或氟塑料管或PU聚氨酯管。

进一步，所述上管路和/或下管路为活动部件，在控制单元的控制下移动。

进一步，所述监测系统还包括时序控制模块，所述时序控制模块控制监测系统按照以下时序工作：

采样，气体被采样单元采集到流路中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

移开上管路和/或下管路，所述控制单元控制上管路和/或下管路从采样点移开，使采样管路从采样状态转换至检测状态；

检测，检测分析单元检测富集在滤膜上的颗粒物；

上管路和/或下管路复位，控制单元控制上管路和/或下管路移至采样点，使采样管路从检测状态恢复至采样状态。

进一步，所述控制单元识别滤膜处于采样区域部分的状态，并根据识别结果控制滤膜移动单元移动滤膜。

作为优选，所述控制单元根据采样单元的抽气流量或检测分析单元的检测结果识别滤膜处于采样区域部分的状态。

进一步，所述滤膜为带状或片状。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、实现了实时监测

本发明对富集在滤膜上仍处于采样区域的颗粒物进行检测，实现了在采样的同时对颗粒物的及时检测，实现了对重金属污染物的实时连续监测，克服了采样富集带来的时间消耗及检测滞后现象，能够更细致更及时的观察重金属污染物含量随时间的变化规律。

2、节省了滤膜和检测时间

对不采用滤膜的检测方式，节省了滤膜和检测时间；对于采用滤膜的检测方式，通过检测滤膜的运行状态，使得在滤膜上富集了足够多颗粒物时再进行滤膜采样点的切换或滤膜的更换，使得滤膜得到了最大程度的利用，与只能按照设定的采样时间来进行滤膜采样点的切换和滤膜的更换的传统方法相比，同样节省了滤膜；且滤膜移动时间比传统仪器的移动时间大大减少，减少了传统富集采样方式中的在一个监测周期内每次采样及检测之间切换时移动滤膜所浪费的时间，节省了时间，确保了监测的连续性。

附图说明

图1为实施例1中气体中元素的监测系统的结构示意图；

图2为实施例2中的气体中元素的监测系统的结构示意图；

图3为实施例2中的滤膜的结构示意图；

图4为实施例3中的气体中元素的监测系统的结构示意图；

图5为实施例3中的滤膜的结构示意图；

图6为实施例4中的气体中元素的监测系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

请参阅图1，一种气体中元素的监测系统，包括采样单元、检测分析单元和控制单元12；

所述采样单元包括抽气泵1、采样管路100和流量控制器10，所述采样管路100包括上管路和下管路，所述上管路和下管路可以为同一条管路，也可以为两条不同的管路，只要能将气体中的颗粒物采集至流路中即可。

所述采样单元中的抽气泵1以一定流量将气体采集到流路中。其中，采样单元的流量控制器10与控制单元12相连，以便于控制单元12监测流量控制器10的工作状态。

所述检测分析单元包括X射线源13与探测器14，分别位于上管路和/或下管路的侧面；X射线源13发出的X射线照射在采样管路内的一定体积104上，被采集到采样管路100中仍处于流路中的一定体积104内的颗粒物被X射线源13发出的X射线激发，所产生的X射线荧光被探测器14接收。

所述上管路和/或下管路能够透过X射线及X射线荧光。

本实施例中，所述上管路和下管路为同一个管路，所述X射线源13和探测器14分别位于采样管路100的两侧，用于在采样的同时，对流过采样管路100中的一定体积104内的颗粒物进行直接实时检测，即X射线源13发出的X射线透过采样管路100，照射在被采集到采样管路100中仍处于流路中的一定体积104内的颗粒物上，颗粒物被X射线13激发后所产生的X射线荧光透过采样管路100后被探测器14接收。

这种检测方式，不需要对气体中的颗粒物进行富集，不需要滤膜等富集结构，即能实现对气体中的颗粒物在采样的同时进行实时在线监测，使得装置结构简单，适用于气体中颗粒物尤其是目标金属元素含量较高的场合和/或检测限更高的仪器。

本实施例还提供了一种气体中元素的监测方法，包括以下步骤：

A、采用本实施例的监测系统；

气体被采样单元采集到流路中；

B、检测分析单元对仍处于流路中的气体中的颗粒物进行检测：

X射线源13发出的X射线透过采样管路100，照射在被采集到采样管路100中仍处于流路中的气体中的颗粒物上，颗粒物被X射线激发后所产生的X射线荧光透过采样管路100后被探测器14接收。

实施例2

请参阅图2，一种气体中元素的监测系统，与实施例1所述的监测系统不同的是：

所述监测系统还包括滤膜111和滤膜移动单元11，用于富集气体中的颗粒物；

1、采样单元和检测分析单元

所述采样单元的采样管路包括上管路101和下管路102，所述上管路101位于滤膜111的上方，下管路111位于滤膜111的下方。

所述X射线源13与探测器14，分别位于上管路101和/或下管路102的侧面；X射线源13发出的X射线照射在富集在滤膜上的颗粒物上，颗粒物被激发后产生的X射线荧光被探测器接收。

而X射线源13与探测器14分别位于上管路101和/或下管路102的侧面，则，上管路和/或下管路总有部分会挡光，或阻挡X射线照在富集在滤膜上的颗粒物上，或阻挡颗粒物被激发后所产生的X射线荧光被探测器接收。

为了实现对气体中元素的实时连续监测，即为了实现使设置在上管路101和/或下管路102的侧面的X射线源13和探测器14对富集在滤膜上仍处于采样区域的颗粒物的检测，只要能使X射线源13发出的X射线能够照射到富集在滤膜111上的颗粒物上，且，颗粒物被激发后产生的X射线荧光能够被探测器14接收即可；即使上管路101和/或下管路102在光路中的部分可被X射线和/或X射线荧光穿透，或将其移开；

则，上管路101和/或下管路102在光路中的部分为透光部分，若透光部分可被X射线荧光穿过时，上管路和/或下管路透光部分为聚四氟乙烯(PTFE)管或硅胶管或氟塑料(FEP)管或PU聚氨酯管等；

若将上管路101和/或下管路102在光路中的部分移开，则监测系统还包括被控制单元控制的移动相应管路的移动部件。

本实施例中，X射线源13与探测器14设置在上管路101的两侧，则上管路101的下部为透光部分，上管路101的透光部分为聚四氟乙烯(PTFE)管。

2、滤膜111、滤膜移动单元11和控制单元12

所述滤膜111，用于富集采集到流路中的气体中的颗粒物。本实施例的滤膜为带状滤膜。处于采样区域的滤膜111在采样点富集颗粒物之后会形成与上管路101内径形状相同的斑110，如图3所示。当需要更换采样点时，控制单元12控制滤膜移动单元11将滤膜111前移一个周期即可。

采样区域是指，滤膜能够富集被采样单元采集到流路中的气体中的颗粒物时所处的位置，滤膜上富集颗粒物的点为采样点。

所述滤膜移动单元11，用以在控制单元12的控制下移动滤膜111。

由于X射线源和探测器设置在采样管路中上管路和/或下管路的侧面，对富集在滤膜上的颗粒物进行实时连续监测。

所述实时连续监测是指在每个监测周期内，在不移动采样点的情况下，对同一采样点进行实时测量，直至需要更换采样点，控制单元控制滤膜移动部件移动滤膜，将下一周期对应的滤膜移动至采样区域进行采样。

若富集在滤膜上的颗粒物过高时，抽气流量不能稳定在预设流量值，流量会发生变化，不稳定，同时，本底过高，不利于测量。此时，需要更换滤膜采样点，则每个滤膜采样点均经过移动至采样区域、采样、采样过后移开采样区域的过程，则，将此过程称为一个监测周期。为了便于在各监测周期之间转换滤膜采样点，需要判断滤膜的运行状态；

进一步，控制单元还用于识别滤膜处于采样区域部分的状态，识别滤膜是否需要更换或移动；并根据识别结果控制滤膜移动部件移动滤膜。

作为优选，所述控制单元根据采样单元的抽气流量或检测单元的检测结果识别滤膜处于采样区域部分的状态。

当根据采样单元的抽气流量识别时，若抽气流量出现明显下降，控制单元12判断该采样点抽气流量过小，控制X射线源13和探测器14停止检测，并控制采样单元的移动部件抬起上管路101，滤膜111被滤膜移动单元11前移一个步长的位置，再控制上管路101复位下压到新的采样点，进行下一周期的监测，控制单元控制上管路的抬起及复位为本领域的现有技术，在此不再赘述。

当根据检测单元的检测结果识别时，针对待检测金属元素的含量设定一个限值，若在检测过程中检测到的金属元素的含量达到此限值，就可判断需要更换滤膜。

在每一个监测周期中，会对处于采样区域的同一采样点上的颗粒物的信号进行多次连续采集，则每次采集后得到的测量结果都是本监测周期内该采样点在本次测量之前所有测量结果的叠加，因此，将上一次测量结果扣除，即可得到本次的测量结果。每次测量的时间间隔可根据具体环境情况来确定，如可以5分钟或10分钟进行一次。

但在一个监测周期内，每一次测量的时间很短，若气体中元素的含量过低，则每个监测周期内的前几次测量结果很可能在仪器的检出限之下。因此，在每一个监测周期的空白时间内不进行测量。所述空白时间是指在每个监测周期内，从监测开始到测量能够达到仪器的检测限的时间。每个监测周期的空白时间可根据环境空气质量情况来设定。

上管路101和/或下管路111的透光部分可被X射线较轻易的穿透，但是很可能存在较强的散射，因此可能会对X射线造成一定的削弱，从而导致测量精度下降，因此，作为优选，可以选择大功率X光管。

本实施例还提供了一种气体中元素的监测方法，在每个监测周期内，步骤如下：

A、提供本实施例所述的监测系统；

气体经由采样管路被采集到流路中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

滤膜移动单元11在控制单元12的控制下控制滤膜111的移动；

控制单元12控制滤膜移动单元11移动滤膜使其处在采样区域内处于采样状态，即能够富集气体中的颗粒物的状态；

采样单元以一定流量将气体采集到流路中，气体中的颗粒物包括目标金属元素被滤膜111富集；

B、所述检测分析单元对富集在滤膜上仍处于采样区域的颗粒物进行检测：

设置在上管路101一侧的X射线源13发出的X射线透过上管路101的透光部分照射在滤膜上富集的颗粒物上，被激发的X射线荧光透过上管路101的透光部分被探测器14接收，探测结果被后续分析。

本实施例测量的是环境空气中的重金属Pb的含量，设定的空白时间为20min，设定每个测量周期内每次测量的时间间隔为10min。

在监测过程中，所述控制单元12根据采样单元的抽气流量识别滤膜111处于采样区域部分的状态。

若抽气流量小于预设流量值(预设流量值为16.7L/min)的90％时，控制单元12判断该采样点抽气流量过小，控制X射线源13和探测器14停止工作，并控制采样单元的移动部件抬起上管路101，滤膜被滤膜移动单元11前移一个步长的位置后再控制上管路101下压到新的采样点，进行下一周期的采样及检测。

在每一个监测周期中，会进行多次对颗粒物的信号采集，则每次采集后得到的测量结果都是该采样点之前所有测量结果的叠加，因此，将上一次测量结果扣除，即可得到本次的测量结果。

实施例3

请参阅图4，一种气体中元素的监测系统，与实施例2中所述的监测系统不同的是：

请参阅图5，本实施例的滤膜为片状滤膜112，片状滤膜112上有采样区103，处于采样区域的滤膜112在采样点富集颗粒物之后在采样区103内形成与上管路101内径形状相同的圆斑210；所述片状滤膜112可以为圆形或多边形。

控制单元22控制滤膜移动部件21移动滤膜或转动滤膜，实现滤膜上各个采样区之间的切换或滤膜的更换。本实施例中，滤膜移动部件21为圆盘。

本实施例还提供了一种气体中元素的监测方法，每个监测周期的步骤与实施例2中所述的监测方法不同的是：

在步骤A中，采用本实施例的监测系统。

实施例4

请参阅图6，一种气体中元素的监测系统，与实施例2中所述的监测系统不同的是：

1、本实施例的X射线源13和探测器14分别设置在下管路202的两侧；

2、上管路201不透X射线和X射线荧光；

下管路202上端的透光部分为可被X射线及X射线荧光透过的材料，为硅胶管。

本实施例还提供了一种气体中元素的监测方法，每个监测周期的步骤与实施例1中所述的监测方法不同的是：

1、在步骤A中，采用本实施例的监测系统；

2、在步骤B中，设置在下管路202一侧的X射线源13发出的X射线透过下管路202的透光部分照射在滤膜上富集的颗粒物上，被激发的X射线荧光透过下管路202的透光部分被探测器接收，探测结果被后续分析；

本实施例测量的是环境空气中的重金属Pb的含量，设定的空白时间为15min，设定每个测量周期内每次测量的时间间隔为5min。

控制单元根据检测单元的检测结果识别滤膜处于采样区域部分的状态，并据此控制滤膜移动部件转动滤膜。

实施例5

一种气体中元素的监测系统，与实施例2中所述的监测系统不同的是：

所述上管路和/或下管路为活动部件，在控制单元的控制下移动，即移至采样区域或从采样区域移开。

当需要采样时，采样管路需处于采样状态，即此时，上管路和/或下管路在控制单元的控制下移至采样区域；当需要检测时，采样管路需处于检测状态，即此时，上管路和/或下管路在控制单元的控制下移开采样区域；

采样管路处于采样状态是指：滤膜富集气体中的颗粒物时，上管路和/或下管路所处的状态。处于检测状态是指：滤膜上富集的颗粒物能够被检测分析单元检测时上管路和/或下管路所处的状态。

本实施例的监测系统还包括时序控制模块，所述时序控制模块控制所述监测系统在监测周期内的每次测量按照以下时序工作：

采样，气体经由采样管路被采集到流路中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

移开上管路和/或下管路，控制单元控制上管路和/或下管路移开，采样管路从采样状态转换至检测状态；

检测，检测分析单元检测富集在滤膜上的颗粒物；

上管路和/或下管路复位，控制单元控制上管路和/或下管路移至采样点，采样管路从检测状态恢复至采样状态。

在一个监测周期内，每次测量均要进行采样和检测之间的切换，切换时只需将上管路和/或下管路移开或复位即可，移开和复位的对象是上管路还是下管路还是上管路和下管路，根据X射线源和探测器的设置位置来确定。

本实施例中，X射线源和探测器分别位于上管路的两侧，则在采样和检测之间切换时，只需将上管路抬起或复位即可。

一种气体中元素的监测方法，每个监测周期的步骤与实施例2中所述的监测方法不同的是：

采用本实施例的监测系统；

采样，气体经由采样管路被采集到流路中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

抬起上管路，控制单元控制上管路抬起，采样管路从采样状态转换至检测状态；

检测，检测分析单元检测富集在滤膜上的颗粒物；

上管路复位，控制单元控制上管路下压至滤膜上，采样管路从检测状态恢复至采样状态。

实施例6

一种气体中元素的监测系统，与实施例2中所述的监测系统不同的是：

1、X射线源位于上管路/下管路的一侧，探测器位于下管路/上管路的一侧，即X射线源和探测器分别位于滤膜的两侧；X射线源发出的X射线照射在富集在滤膜上的颗粒物上，颗粒物被激发所产生的X射线荧光被探测器接收。

2、上管路和下管路的透光部分可被X射线和X射线荧光透过；或将上管路和下管路移开。

本实施例不移开上管路和下管路，上管路和下管路的透光部分为氟塑料(FEP)管。

本实施例还提供了一种气体中元素的监测方法，每个监测周期的步骤与实施例2中所述的监测方法不同的是：

1、在步骤A中，采用本实施例的监测系统；

2、在步骤B中，每次测量的时间间隔为5min。

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是：通过实时采集富集在滤膜上的颗粒物的信息，获得监测周期内颗粒物含量的变化规律。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种气体中元素的监测方法，包括以下步骤：

A、气体被采样单元采集到流路中；

所述采样单元包括采样管路，所述采样管路包括上管路和下管路；

B、检测分析单元对仍处于流路中的气体中的颗粒物进行检测。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：

在步骤A中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

所述上管路位于滤膜的上方，下管路位于滤膜的下方；

在步骤B中，检测分析单元对富集在滤膜上仍处于采样区域的颗粒物进行检测。

3.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于：所述上管路和/或下管路可被X射线穿过。

4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于：所述上管路和/或下管路为聚四氟乙烯管或硅胶管或氟塑料管或PU聚氨酯管。

5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于：X射线源发出的X射线透过上管路或下管路照射在颗粒物上，颗粒物被激发后产生的X射线荧光透过上管路或下管路被探测器接收。

6.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于：

在步骤A中，采样后，将上管路和/或下管路从采样点移开，使采样管路从采样状态转换至检测状态；

在步骤B中，检测完毕后，将上管路和/或下管路移至采样点，使采样管路从检测状态恢复至采样状态。

7.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于：识别滤膜处于采样区域部分的状态，并根据识别结果控制滤膜移动单元移动滤膜。

8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于：根据采样单元的抽气流量或检测分析单元的检测结果识别滤膜处于采样区域部分的状态。

9.一种气体中元素的监测系统，包括采样单元、检测分析单元和控制单元，所述采样单元包括采样管路，所述检测分析单元包括X射线源和探测器，其特征在于：

所述采样管路包括上管路和下管路；

所述X射线源和探测器分别位于上管路和/或下管路的侧面；

被采集到采样管路中仍处于流路中的气体中的颗粒物被X射线源发出的X射线激发，所产生的X射线荧光被探测器接收。

10.根据权利要求9所述的监测系统，其特征在于：

所述监测系统还包括滤膜和滤膜移动单元，所述上管路位于滤膜的上方，下管路位于滤膜的下方。

11.根据权利要求9或10所述的监测系统，其特征在于：所述上管路和/或下管路可被X射线穿过。

12.根据权利要求11所述的监测系统，其特征在于：所述上管路和/或下管路为聚四氟乙烯管或硅胶管或氟塑料管或PU聚氨酯管。

13.根据权利要求9或10所述的监测系统，其特征在于：所述上管路和/或下管路为活动部件，在控制单元的控制下移动。

14.根据权利要求13所述的监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括时序控制模块，所述时序控制模块控制监测系统按照以下时序工作：

采样，气体被采样单元采集到流路中，气体中的颗粒物被富集到滤膜上；

移开上管路和/或下管路，所述控制单元控制上管路和/或下管路从采样点移开，使采样管路从采样状态转换至检测状态；

检测，检测分析单元检测富集在滤膜上的颗粒物；

上管路和/或下管路复位，控制单元控制上管路和/或下管路移至采样点，使采样管路从检测状态恢复至采样状态。

15.根据权利要求10所述的监测系统，其特征在于：所述控制单元识别滤膜处于采样区域部分的状态，并根据识别结果控制滤膜移动单元移动滤膜。

16.根据权利要求15所述的监测系统，其特征在于：所述控制单元根据采样单元的抽气流量或检测分析单元的检测结果识别滤膜处于采样区域部分的状态。

17.根据权利要求10所述的监测系统，其特征在于：所述滤膜为带状或片状。

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